способ изготовления щеток электрических машин

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЩЕТОК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН, включающий смещение исходных компонентов, формование с одновременной запрессовкой токоведущего провода в щетку, термообработку в защитной среде, отличающийся тем, что в качестве защитной среды используют смесь термостойкого оксида металла и меди при следующем соотношении компонентов, мас.

Оксид металла 65 85

Медь 15 35

а термообработку ведут при 550 750^oС.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и касается способа изготовления щеток с запрессованным токоведущим проводом для прецизионных электрических машин малой мощности.

Известен способ изготовления щеток электрических машин, включающий смешение исходных компонентов, формование с одновременной запрессовкой токоведущего провода в щетку, термообработку в среде углекислого газа до температуры 600^оС [1]

Недостатком данного способа является то, что при термообработке происходит карбонизация токоведущего провода, что приводит к снижению его эластичности и ухудшению эксплуатационных характеристик щеток.

Известен способ изготовления щеток электрических машин, включающий смешение исходных компонентов, формование щетки с одновременной запрессовкой токоведущего провода и термообработку в среде защитного газа, в качестве которого используется продукт неполного сгорания углеводородов с коэффициентом избытка воздуха от 0,25 до 0,9, например, эндо- или экзогаз [2] Недостатком данного способа является то, что проведение термообработки в эндо- или экзогазе требует применения сложного дорогостоящего оборудования, что приводит к существенному удорожанию продукции.

Известен способ изготовления щеток электрических машин, включающий смешение исходных компонентов, формование с одновременной заделкой токоведущего провода в щетку, термообработку в защитной среде, в качестве которой используют антиокислительные засыпки на основе порошков кокса или активированного угля [3]

Недостатком данного способа является то, что медный токоведущий провод в процессе термообработки окисляется, так как начиная с 350-450^оС, происходит окисление самих углеродных засыпок [4] Это приводит к снижению эластичности (гибкости) медного токоведущего провода и, соответственно, виброустойчивости щеток, что в свою очередь приводит к снижению надежности работы щеточно-коллекторного узла.

Целью изобретения является повышение надежности работы щеточно-коллекторного узла за счет улучшения эксплуатационных характеристик щеток.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе изготовления щеток электрических машин, включающем смешение исходных компонентов, формование с одновременной запрессовкой токоведущего провода в щетку, термообработку в защитной среде, в качестве последней используют смесь термостойкого оксида металла и меди при их следующем соотношении, мас. оксид металла (65-85), медь (15-35), а термообработку проводят при температуре 550-750^оС.

Общими признаками предлагаемого технического решения с прототипом являются смешение компонентов, формование с одновременной запрессовкой токоведущего провода и термообработка щеток в защитной среде.

Отличительным признаком является проведение термообработки изделий при температуре 550-750^оС в защитной среде (засыпке), состоящей из определенного количества термостойкого оксида металла и меди.

Известно использование термостойких оксидов металлов в качестве основы для огнеупорной бетонной смеси [5]

Известно использование оксидов металлов в качестве огнеустойчивого материала при обжиге и графитации углеродных заготовок [6]

В предлагаемом техническом решении использование термостойких оксидов металлов в сочетании с медным порошком в определенных соотношениях позволяет повысить надежность щеточно-коллекторного узла за счет сохранения свойств токоведущего провода при термообработке и получения при этом материалов щеток заданных характеристик.

Таким образом, предлагаемое изобретение обладает новизной и изобретательским уровнем.

Техническое решение является промышленно применимым, так как предлагаемый способ позволяет получить щетки с оптимальными электрофизическими параметрами при сохранении эксплуатационных характеристик токоведущего провода, что обеспечивает работоспособность электродвигателей в требуемых условиях эксплуатации.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Некоторые щетки металлографитных и углеграфитных композиций для прецизионных электрических машин малой мощности могут быть изготовлены с токоведущим проводом только методом запрессовки (из-за малых размеров щетки) и требуют для получения заданных электрофизических характеристик проведения термообработки при температурах до 550-750^оС. При этом, необходимо выбрать такую защитную среду при термообработке, которая могла бы обеспечить как достижение требуемых характеристик материала щеток, так и сохранение эксплуатационных характеристик провода за счет предотвращения его окисления.

Предлагаемые термостойкие оксиды металлов (алюминия, хрома, циркония и др. ), используемые в защитной засыпке, устойчивы к компонентам материала щетки (меди, серебру, углероду) до высоких температур, превышающих 1000-1500^оС. Диффузия ионов кислорода становится заметной при 1700^оС, 1000^ос и 1450^оС соответственно для Al₂O₃, ZrO₂ и Cr₂O₃ (Кац С.М. Высокотемпературные изоляционные материалы. М. Металлургия, 1981, с.10, 17). Так как все перечисленные оксиды дисперсные материалы, они также сорбируют кислород. Однако, сорбирующая способность Al₂O₃, например, на два порядка ниже, чем у активированного угля, так как их удельная поверхность составляет 8 и 900 м²/г соответственно.

Засыпка только из оксида металла не обеспечивает защиту токоведущего провода от окисления. Медь, добавленная в оксид металла в виде порошка с развитой поверхностью, способна полностью поглощать как сорбированный оксидом кислород, так и кислород, находящийся в замкнутом объеме, что защищает от окисления токоведущий провод и непосредственно щетку. Медь также можно добавлять в виде медных обрезков токоведущих проводов, которые являются отходами электрощеточного производства.

Экспериментально установлено оптимальное соотношение в защитной засыпке оксида металла и меди. Одновременно для металлографитной и углеграфитной композиций определена оптимальная температура термообработки (550-750^оС), при которой медный токоведущий провод при наличии предложенной засыпки сохраняет эластичность и электропроводность, а щетки приобретают требуемые эксплуатационные характеристики. Температура термообработки ниже 550^оС и выше 750^оС приведет к ухудшению эксплуатационных характеристик щеточно-коллекторного узла. Температура термообработки менее 550^оС является недостаточной для получения материала щеток с требуемыми электро-физическими характеристиками. При температуре более 750^оС токоведущий провод теряет свою эластичность, виброустойчивость щеток снижается.

П р и м е р 1. 15 мас. графита тайчинского сырого марки ЭУТ (ГОСТ 10274-79), 80 мас. порошка серебряного арки ПС_р-1 (ТУ 48-1-702-87) и 5 мас. олова (ГОСТ 9723-73) смешивают в барабанном смесителе в течение 40 мин. Полученный пресспорошок формуют с одновременной заделкой токоведущего провода в щетку при уд. давлении формования 300 МПа. Изготовленные заготовки щеток термообрабатывают в защитной засыпке, которую предварительно готовят следующим образом: 75 мас, термообработанного оксида алюминия (электрокорунд марки ЭБ-99, ТУ6-09-3428-78) засыпают в механический смеситель, затем в смеситель вводят 25 мас. медного порошка марки ПМС (ГОСТ 4960-75) и в течение 30 мин ведут перемешивание.

Полученную засыпку насыпают слоем не менее 20 мм на дно металлического контейнера, изготовленного из жаропрочной стали диаметром 200 и длиной 600 мм. Затем помещают 2-3 ряда щеток и слой засыпки не менее 5 мм. Так, чередуя слоями изделия и смесь, наполняют контейнер, затем сверху засыпают не менее 20 мм засыпки и закрывают крышкой.

Контейнер помещают на дно муфеля печи типа ПМ-8 ТУ16-531.098-76, куда насыпают слой 50-70 мм так называемой "внешней" засыпки из прокаленного кокса (ГОСТ 52158-74). Свободное пространство между стенками контейнера и муфеля также заполняют засыпкой из прокаленного кокса, после чего муфель подключают к электросети и ведут нагрев до 550^оС с подъемом температуры 30-50^оС в час и выдержкой при 550^оС 2 ч.

П р и м е р 2. Изготовление щеток по примеру 1, но в качестве защитной засыпки используют следующий состав, мас. 65,0 электрокорунда марки ЭБ-99 и 35,0 медного порошка. Температура термообработки составила 600^оС.

П р и м е р 3. Изготовление щеток по примеру 1, но в качестве защитной засыпки берут следующий состав, мас. 85,0 электрокорунда марки ЭБ-99 и 15,0 медного порошка.

П р и м е р 4. Изготовление щеток по примеру 1, но в качестве защитной засыпки используют следующий состав, мас. 75,0 оксида циркония (ZrO₂) и 25,0 медного порошка.

П р и м е р 5. Изготовление щеток по примеру 1, но в качестве защитной засыпки берут следующий состав, мас. 75,0 оксида хром и 25 медного порошка.

П р и м е р 6. Изготовление щеток по примеру 1, но в качестве защитной засыпки используют следующий состав, мас. 75,0 электрокорунда и 25,0 обрезков медного провода (отходы электрощеточного производства).

П р и м е р 7. 66,5 мас. порошка графитированного коксо-сажевой композиции марки ЭГ 2А (ФЭО.054.1111) и 16,7 мас. графита тайчинского сырого марки ЭУТ (ГОСТ 10274-79) перемешивают в течение 40 мин в барабанном смесителе. Полученную смесь смешивают в барабанном смесителе со сложным связующим, взятым в количестве 16,8 мас. которое готовится следующим образом: 5,6 мас. фосфатного связующего (ТУ6-18-166-83) перемешивают с 11,2 мас. фенолформальдегидного связующего (ГОСТ 18694-80) в барабанном смесителе.

Затем приготовленную смесь вальцуют на вальцах ПД630 при 105-135^оС, размалывают на мельнице типа ДМ и просеивают через сито 016 по ГОСТ 6613-86. Из полученного порошка формуют заготовки щеток с одновременной заделкой токоведущего провода при удельном давлении 16 МПа. Затем заготовки щеток подвергают термообработке в защитной засыпке по примеру 1 при 750^оС.

П р и м е р 8. Изготовление щеток по примеру 1 с использованием засыпки следующего состава, мас. 75,0 оксида алюминия нетермообработанного (ТУ6-09-3428-78) и 25,0 медного порошка.

П р и м е р 9. Изготовление щеток по примеру 1 с использованием засыпки следующего состава, мас. 64,0 электрокорунда и 36,0 медного порошка.

П р и м е р 10. Изготовление щеток по примеру 1 с использованием засыпки следующего состава, мас. 86,0 электрокорунда и 14,0 медного порошка.

П р и м е р 11. Изготовление щеток по примеру 1, но в качестве защитной среды используют электрокорунд.

П р и м е р 12. Изготовление щеток по примеру 1, но в качестве защитной среды используют медный порошок.

Щетки, изготовленные по прототипу и по примерам 1-12, подвергались контролю, который включает визуальный осмотр щеток с целью оценки степени окисления токоведущего провода, определение удельного электрического сопротивления по ГОСТ 9506.4-74, определение переходного сопротивления между щеткой и токоведущим проводом по ГОСТ 9506.4-74, определение прочности крепления токоведущего провода по ГОСТ 9506.2-74.

Результаты испытаний щеток, изготовленных по прототипу и примерам 1-12, представлены в таблице.

Анализ таблицы показывает, что проведение термообработки в защитной засыпке, содержащей 65-85 мас. оксида металла и 13-35 мас. меди (примеры 1-8) по сравнению с прототипом обеспечивает более низкое удельное электросопротивление, сохранность токоведущего провода (гибкость, отсутствие следов окисления) и соответственно более низкое стабильное переходное сопротивление между щеткой и токоведущим проводом, что обуславливает обеспечение надежности работы щеточно-коллекторного узла в эксплуатации.

Увеличение количества меди в засыпке вызывает ее взаимодействие при температуре термообработки с токоведущим проводом в виде частичного спекания. При уменьшении количества меди снижается ее эффективность, провод взаимодействует с кислородом и частично окисляется, теряет свои эксплуатационные свойства, как в случае применения засыпки из активированного угля или кокса.

Усилие вырывания во всех примерах и у прототипа соответствовало предъявляемым требованиям (0,5 gaH).

Установлено, что засыпка выбранного состава может быть использована многократно (до 10 раз), однако при применении засыпки с содержанием меди 15-25 мас. целесообразно часть засыпки обновлять на 10-15%